Java公平锁与非公平锁的核心原理讲解-Java开发

从公平的角度来说，Java中的锁总共可分为两类：公平锁和非公平锁。但公平锁和非公平锁有哪些区别？核心原理是什么？本文就来和大家详细聊聊

Lock锁接口方法

前面了解到了synchronized锁，也知道了synchronized锁是一种JVM提供内置锁，但synchronized有一些缺点：比如不支持响应中断，不支持超时，不支持以非阻塞的方式获取锁等。而今天的主角Lock锁，需要我们手动获取锁和释放锁，里面有很多方式来获取锁，比如以阻塞方式获取锁，在指定时间内获取锁，非阻塞模式下抢占锁等，其方法源码如下（位于package java.util.concurrent.locks包下）：

//Lock接口下的方法
public interface Lock {
    //阻塞式抢占锁，如果抢到锁，则向下执行程序；抢占失败线程阻塞，直到释放锁才会进行抢占锁
    void lock();
    //可中断模式抢占锁，线程调用此方法能够中断线程
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    //非阻塞式尝试获取锁，调用此方法线程不会阻塞，抢到锁返回true，失败返回false
    boolean tryLock();
    //在指定时间内尝试获取锁，在指定时间内抢到锁成功返回true，失败返回false
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    //释放锁，线程执行完程序后，调用此方法来释放锁资源
    void unlock();
    //条件队列
    Condition newCondition();
    }

公平锁简介

公平锁，顾名思义，所有线程获取锁都是公平的。在多线程并发情况下，线程争抢锁时，首先会检查等待队列中是否有其他线程在等待。如果等待队列为空，没有线程在等待，那么当前线程会拿到锁资源；如果等待队列中有其他线程在等待，那么当前线程会排到等待队列的尾部，好比我们排队买东西一样。

ReentranLock的公平锁

ReentranLock类实现了Lock接口，重写了里面的方法，对于ReentranLock类中的公平锁，我们可以看到如下源码：

    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

在上述构造方法中，新建锁对象是否为公平锁，在于传入的参数是true还是false，在三目运算符中，如果传入参数为true，则会创建一个FairSync()对象赋值给sync，线程获取的锁是公平锁；如果为false则创建一个NonfairSync()对象，线程获取的锁是非公平锁。点入FairSync()方法，得到如下源码：

    static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;

        final void lock() {
            acquire(1);
        }
        /*这里将acquire方法放于此
            public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
        */
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            //拿到当前锁对象的状态
            int c = getState();
            //如果没有线程获取到锁
            if (c == 0) {
                //首先会判断是否有前驱节点，如果没有就会调用CAS机制更新锁对象状态
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    //设置当前线程拥有锁资源
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    //如果获取锁资源成功则返回true
                    return true;
                }
            }
            //或者如果拿到锁的就是当前线程
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                //将锁的状态+1，考虑到锁重入
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    //超过了最大锁的数量
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                //如果锁数量没有溢出，设置当前锁状态
                setState(nextc);
                //如果成功获取锁资源则返回true
                return true;
            }
            //如果前两条都不符合，则返回false
            return false;
        }
    }

上述代码涉及到了hasQueuedPredecessors()方法，返回true则代表有有前驱节点，点入查看得到以下源码：

    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        //h!=t，首节点不等于尾节点表示队列中有节点
        return h != t &&
            (
            //s为头结点的下一个节点，返回false表示队列中还有第二个节点，或运算符后面表示，第二个线程不是当前线程
            (s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()
            );
    }

因此做出总结，使用ReentranLock的公平锁，当线程调用ReentranLock类中的lock()方法时，会首先调用FairSync类中的lock()方法；然后FairSync类中的lock()方法会调用AQS类（AbstractQueuedSynchronizer）中的acquire(1)方法获取资源，前面的文章里也提到过，acquire()方法会调用tryAcquire()方法尝试获取锁，tryAcquire()方法里面没有具体的实现，tryAcquire()方法具体逻辑是由其子类实现的，因此调用的还是FairSync类中的方法。在AQS中的acquire()方法中如果尝试获取资源失败，会调用addWaiter()方法将当前线程封装为Node节点放到等待队列的尾部，并且调用AQS中的acquireQueued方法使线程在等待队列中排队。

ReentranLock的非公平锁

非公平锁就是所有抢占锁的线程都是不公平的，在我们日常生活中就相当于是插队现象，不过也与插队稍微不同。在多线程并发时，每个线程在抢占锁的过程中，都会先尝试获取锁，如果获取成功，则直接指向具体的业务逻辑；如果获取锁失败，则会像公平锁一样在等待队列队尾等待。

在非公平锁模式下，由于刚来的线程可以在队首位置进行一次插队，所以当插队成功时，后面的线程可能会出现长时间等待，无法获取锁资源产生饥饿现象。但是非公平锁性能比公平锁性能更好。

对于ReentranLock类中的非公平锁，实现方式有两种，一种是默认的构造方式，另一种是和上面的一样，源码如下：

    //第一种方式，默认实现
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    //第二种方式，传入false来创建非公平锁对象
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }

对于创建的NonfairSync()类对象，其源码如下：

    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

        /**
         * Performs lock.  Try immediate barge, backing up to normal
         * acquire on failure.
         */
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

在上述代码中，当线程获取锁时，并没有直接将当前线程放入等待队列中，而是先尝试获取锁资源，如果获取锁成功，设置state标志位1成功，则直接将当前线程拿到锁，执行线程业务；如果获取锁资源失败，则调用AQS中的acquire方法获取资源，而acquire()方法会回调上面NonfairSyn类中的tryAcquire()方法，然后又会回调Sync类中的nonfairTryAcquire()方法（NonfairSync类继承了Sync类），点击nonfairTryAcquire(acquires)查看源码：

        final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

由上诉代码，没有将线程放入到等待队列中，只是对锁的状态进行了判断，若标识为0，代表没有线程拿到锁，当前线程会使用CAS机制改变锁状态，并调用setExclusiveOwnerThread(current)方法让当前线程拿到锁。

因此综上所述，在使用ReentranLock中的非公平锁时，首先会调用lock()方法，，而ReentranLock类中lock()方法会调用NonfairSync类中的lock()方法，接着NonfairSync类中的lock()方法会调用AQS中的acquire()方法来获取锁资源,AQS中的acquire()方法又会回调NonfairSync类中tryAcquire()方法尝试获取资源，NonfairSync类中tryAcquire()方法会调用Sync类中的nonfairTryAcquire方法尝试非公平锁获取资源；获取失败的话，AQS中的acquire()方法会调用addWaiter()方法将当前线程封装成Node节点放入到等待队列的队尾，而后AQS中的acquire()方法会调用AQS中的acquireQueued()方法让线程在等待队列中排队。这就是非公平锁的整个流程。

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